Nanofibre di carbonio da Aldrich Scienza dei Materiali

Da David Burton, Patrick Lane e Andrew Palmer di Scienze Applicate

Indice dei contenuti

Introduzione

Pyrograf ®-III nanofibre di carbonio vapore sono cresciuti all'interno della classe di materiali chiamati multi-parete nanotubi di carbonio (MWCNT), e sono prodotte con il metodo catalizzatore galleggiante. Nanofibre di carbonio (CNFs) sono discontinui, altamente grafitico, altamente compatibile con la maggior parte delle tecniche di lavorazione dei polimeri, e possono essere disperse in un modo isotropo o anisotropo. CNFs hanno ottime proprietà meccaniche, elevata conducibilità elettrica, e ad alta conducibilità termica, che può essere impartita ad una vasta gamma di matrici tra termoplastici, termoindurenti, elastomeri, ceramiche e metalli. Nanofibre di carbonio hanno anche uno stato unico di superficie, che facilita la funzionalizzazione e altre tecniche di modifica della superficie di adattare / ingegnere del nanofibre al polimero host o applicazioni. Nanofibre di carbonio sono disponibili in un flusso libero polvere (tipicamente di massa del 99% è in una forma fibrosa). Proprietà fisiche tipiche di nanofibre di carbonio Pyrograf disponibili da Aldrich Scienza dei Materiali sono elencati nella Tabella 1.

Tabella 1. Selezionare Proprietà del Pyrograf nanofibre di carbonio

* Questa densità dovrebbe essere usato per convertire frazioni di massa in frazioni di volume in un composito.

Descrizione del prodotto e specifiche

Pyrograf ®-III nanofibre di carbonio vapore cresciuto in possesso di una morfologia unica (Figura 1) non è attualmente disponibile da altri produttori di nanomateriali. Le nanofibre individuo è precipitato da una particella di catalizzatore, ed ha un nucleo cavo che è circondato da una fibra cilindrica composta da altamente cristallini, aerei della base di grafite sovrapposti a circa 25 gradi rispetto all'asse longitudinale della fibra. Questa morfologia, definito "impilati tazza" o "a spina di pesce", genera una fibra con aerei bordo esposte lungo tutto l'interno e le superfici esterne delle nanofibre. Questi siti bordo sono reattivi, rispetto al piano della base di grafite, e facilitare la modificazione chimica della superficie della fibra per la massima integrazione e rinforzo meccanico in compositi polimerici. Questa architettura aperta facilita anche intercalazione rapida e de-intercalazione da atomi eterogenei, utile per la conducibilità tuning.

Figura 1. Micrografie HRTEM di PR-25 nanofibre di carbonio mostrando siti bordo esposti che formano le superfici interna ed esterna del muro di nanofibre

Le nanofibre di carbonio viene offerto attraverso la scienza dei materiali Aldrich hanno diametri medi da 125 a 150 nm a seconda del grado, ed hanno lunghezze da 50 a 100 micron. Le nanofibre sono molto più piccole di diametro rispetto alle tradizionali fibre di carbonio continue o lavorato (nm 5-10) e significativamente più grande di nanotubi di carbonio (1-20 nm), ma offrono molti degli stessi vantaggi. Le nanofibre di carbonio sono trattati dopo la produzione al fine di conferire le varie proprietà dello stato della superficie. Tre tipi di nanofibre sono disponibili. Il primo è pyrotically spogliata (Aldrich Prod. N. 719811 ) per rimuovere gli idrocarburi superficie e generare una superficie incontaminata di legame chimico. Questo prodotto serve anche come un precursore per gli altri due elenchi. La seconda voce è trattato termicamente a 1500 ° C (Prod. Aldrich. N. 719803 ) per fornire la migliore combinazione di proprietà meccaniche ed elettriche. Infine, l'elenco terzo è trattato termicamente a 2900 ° C (Prod. Aldrich. N. 719781 ) per generare un prodotto gratuito catalizzatore e massimizzare le proprietà di conducibilità termica in materiali compositi.

Proprietà e applicazioni

Conducibilità elettrica

Endo et al. primi hanno riportato la conducibilità intrinseca altamente grafitica vapore cresciuto in fibra di carbonio a temperatura ambiente da 5 x 10 ^-5 Ω.cm, che si trova vicino la resistività della grafite. Dal momento che praticamente tutti i conducibilità elettrica in nanofibre di carbonio / compositi a matrice polimerica è attraverso la rete di nanofibre di carbonio, è chiaro che la dispersione di fibre bene e la manutenzione della lunghezza delle fibre aiuterà a raggiungere elevata conducibilità elettrica in composito anche un carico povera di fibre. Grazie alla loro alta conduttività elettrica e le proporzioni elevate, CNF può impartire conducibilità elettrica pari ad un composito a carichi inferiori rispetto ai tradizionali riempitivi conduttivi. Inoltre, controllando il carico, si può produrre compositi con differenti valori di resistività elettrica. Questo è di particolare importanza per le applicazioni che richiedono una resistività in diverse gamme quali la dissipazione elettrostatica (ESD) ^{{6 ottobre} - ^{8 Ottobre} Ω.cm}, verniciatura elettrostatica ^{10 Aprile - 10 GIUGNO Ω.cm}, {schermatura EMI 10 ³ - 10 ¹ Ω.cm}, e la protezione contro i fulmini colpiscono {<10 Ω.cm}.

La figura seguente rappresenta le curve di percolazione possibile con diversi livelli di carico CNF e le condizioni di taglio. Livelli più elevati di taglio durante la lavorazione compositi portano alle soglie di percolazione superiore.

Figura 2. Volume resistività elettrica dei compositi a base di CNF in funzione del carico di fibre di peso.

Rinforzo meccanico

Misura diretta su singole fibre scala nanometrica solo recentemente è stato raggiunto e riproducibile solo in quantità limitate. Ozkan et al. eseguito un'attenta misurazione resistenza alla trazione direttamente sul nanofibre di carbonio individuali e misurato la forza vera. Sulla base dei anulare sezione trasversale, i punti di forza sono risultati essere il più alto 8,7 GPa, che si avvicina la forza di microfibre grafite. Il modulo di nanofibre di carbonio è dedotta da 600 GPa sulla base di misurazioni dirette delle classi madre di nanofibre di carbonio, vapore o macroscopico-grown carbonio fibers.6 incorporati in materiali compositi polimerici, le nanofibre di carbonio può aumentare la resistenza alla trazione, resistenza alla compressione , modulo di Young, resistenza al taglio interlaminare, resistenza alla frattura, e lo smorzamento delle vibrazioni del polimero di base. L'entità del miglioramento dipende dal tipo di polimero, il grado di dispersione, e la storia di elaborazione.

Figura 3. Panoramica delle proprietà meccaniche dei materiali compositi a base di CNF.

Proprietà termiche

La conducibilità termica del nanofibre di carbonio può essere dedotta da 2000 W / mK di nuovo, sulla base di misurazioni dirette delle classi madre di nanofibre di carbonio, o macroscopico vapore cresciuto fibre di carbonio. Dei tre tipi di nanofibre di carbonio, solo la nanofibre trattati termicamente nanofibre a 2900 + ° C (Prod. Aldrich. No. 719781 ) offre un notevole impulso alla conducibilità termica del polimero composito. Lafdi e Matzek stati in grado di ottenere un aumento di conduttività termica di 0,2 W / mK per resina epossidica a 2,8 W / mK per un 20% in peso di vapore Grown CNF composito. Questi risultati indicano che, a differenza di resistenza e la rigidezza, buon accoppiamento alla matrice non è necessario per raggiungere l'alta conducibilità termica, rendendo meno critiche di capitalizzazione.

Altri ricercatori si sono concentrati sulle proprietà di ritardanti il ​​fuoco delle nanofibre di carbonio in materiali termoplastici. Compositi caricati con nanofibre di carbonio e di una fiamma esposta in ritardo e più bassi tassi di picco di rilascio di calore, le emissioni di fumo basso, e nessun gocciolamento o messa in comune di polimero fuso.

Link che descrive la performance del CNF come additivo ritardante di fiamma nei materiali compositi polimerici sono disponibili presso il NIST (National Institute of Standards and Technology) sito web:

CNFs nelle schiume poliuretaniche flessibili

CNFs in Schiume Argilla

CNFs Cut Infiammabilità di mobili imbottiti

Figura 4. Reazione al fuoco avanzata di CNFs vs talco e argille. Usato con il permesso di NIST: Polimero per le tecnologie avanzate, giugno 2008

Dato che la grafite ha una bassa espansione termica, materiali compositi polimerici caricati con nanofibre di carbonio sono stati non solo atteso, ma hanno dimostrato di avere coefficienti sostanzialmente più basso di espansione termica del rispetto della matrice pulito.

Figura 5. Un grafico per mostrare il coefficiente ridotto di exapansion termica (CET) del 15% vol CNF composito vs il materiale ordinato polimero.

Informazioni su Sigma Aldrich

Sigma-Aldrich ® è uno dei principali ad alta tecnologia dell'azienda. Attraverso i nostri Centri di Chimica Materiali di eccellenza nella ricerca e nella produzione sviluppiamo avanzati, consentendo di materiali per la micro / nanoelettronica, energie alternative, display / optoelettronica, nanotecnologie e scienza dei materiali e relativi applicazioni ingegneristiche. Tra le specialità precursori ALD, ultra-elevata purezza alogenuri inorganici, materiali delle celle a combustibile, elettronica coloranti grado, monomeri di specialità e cGMP polimeri grado.

Fonte: Sigma Aldrich

Per ulteriori informazioni su questa fonte visitare il sito Sigma Aldrich